Verbundprojekt UG2: "GEWS II - Realitätsnahe, langfristige, saisonale Erprobung der GEWS-Anlage im Testfeld TestUM zur Ermittlung belastbarer energetischer Betriebsparameter und Umweltauswirkungen"

Abstract

Der hier verfolgte und weltweit erstmalig (s. auch Patent EP 21 824 517.3) realisierte Geologische Eis-Wärmespeicher (GEWS)-Ansatz ermöglicht eine tiefenhorizontierte Bewirtschaftung von Grundwasserleitern als thermischer Latentspeicher und als thermischer sensibler Speicher. Mit dem GEWS-System ergeben sich de facto für alle Regionen mit hinreichenden Lockergesteinsmächtigkeiten und signifikanten wetterbedingten Temperaturunterschieden (im Tagesgang bis saisonal) Potenziale, z. B. saisonale Wärmedargebote zu Heiz- und Kühlzwecken mit Wärmepumpen latent für verschiedene Zeiträume zu speichern. Im Vorgängerprojekt (nachfolgend GEWS-I) wurde am Testfeld „TestUM“ ein oberflächennaher Porengrundwasserleiter als Geologischer Eiswärmespeicher entwickelt, erfolgreich in Betrieb genommen und im mehrmonatigen Testbetrieb über mehrere Frost-Tau-Zyklen u. a. hinsichtlich seiner Grundfunktionalität getestet und mit orientierenden geophysikalischen/geomechanischen, hydraulisch-thermischen, hydrochemischen und mikrobiologischen Untersuchungen zu Umweltauswirkungen begleitet. In dem direkt anschließenden Projekt GEWS-II wurden im Wesentlichen die Ziele und Arbeitspakete des Vorgängerprojektes aufgegriffen, die aufgrund von Verzögerungen bisher nicht im geplanten Umfang bearbeitet werden konnten. Die Foki lagen

erstens auf der technologischen Erprobung und Optimierung der GEWS-Gesamtanlage einschließlich der Monitoringkomponenten im saisonalen (Langzeit-) Betrieb (TP1), zweitens auf der Erfassung der energetischen und wirtschaftlichen Betriebscharakteristika im realitätsnahen saisonalen Betrieb, um so u. a. Basisdaten für großmaßstäbliche Demonstrationsanlagen zu gewinnen und einen Szenarienvergleich zu anderen Wärmeversorgungstechnologien (u. a. konventionelle Anlagen mit fossilen Energieträgern, HT-ATES-, und Wasser-Wasser-Anlagen) durchführen zu können (TP2) und drittens auf der im GEWS-I-Vorhaben bereits begonnenen und nun fortgeführten Erfassung der durch einen GEWS-Betrieb induzierten Umweltauswirkungen. Insbesondere sollte überprüft werden, ob die Adaption des Aquiferbioms an längere Gefrierzyklen und/oder potentielle kinetisch bedingte „irreversible“ hydrochemische Effekte und/oder geomechanische Hebungs- und Absenkungsprozesse mit potentiellen Hystereseffekten auch im saisonalen Betrieb gering und gegebenenfalls prognostizierbar sind (TP3).

Wesentliche übergeordnete Ergebnisse lassen sich wie folgt zusammenfassen: In TP1 ist im Hinblick auf die Erprobung und Optimierung der Pilotanlage als Prototypen eines GEWS-Systems im Nachgang des Testbetriebs in GEWS-I nun in GEWS-II der operative Betrieb mit Berücksichtigung eines realitätsnahen saisonalen Lastprofils erstmals umgesetzt worden. Damit sind verschiedene Betriebsmodi (monatlichen Vereisungs-/Auftauzyklen, saisonaler Betrieb mit stündlich aufgelösten Lastprofilen), die mit der Anlage technisch abgefahren werden können, erfolgreich getestet worden. Das Anlagensystem steht grundsätzlich weiter zur Verfügung, um weitere thermische Profile mit anderen Wärmebedarfen zum Heizen und Kühlen abzufahren. Mit Beginn des Projekts GEWS-I im Oktober 2021 ist die Eis-Wärmespeicheranlage bis dato innerhalb von vier Jahren (weitgehend unter Umgehung der Entwicklungsschritte TRL 3–6) bis TRL 7–8 entwickelt worden, was eine wichtige Voraussetzung für die Umsetzung von neuen Technologien in Demonstrationsvorhaben (auf der Anwendungsskala) und ihre direkte Einbindung in reale Energieversorgungssysteme darstellt. Zur Erfassung von Energiebilanzen, „Ladungszuständen“, Leistungen etc. als Grundlage für eine wirtschaftliche und energetische Bewertung der Technologie ist ein funktionsfähiges geophysikalisches, thermisches Betriebsmonitoring erarbeitet und getestet worden. Mit entsprechend entwickelten Darstellungs- und Auswerteroutinen können so zukünftige Demonstrationsanlagen unmittelbar auf ihre Funktion überprüft und in der Betriebsweise begleitet werden. Die entwickelten und optimierten numerischen Modellansätze zur Simulation der bei der Nutzung des GEWS induzierten Temperaturveränderungen durch die Gefrier- und Auftau-Prozesse inklusive der Rückkopplung zur Grundwasserströmung erlauben sowohl die epignostische als auch prognostische Simulation der Temperaturentwicklungen im GEWS-Speicherbereich (aber auch der abstromigen Temperaturfahnen) und sind grundsätzlich geeignet, einen Speicherbetrieb für GEWS-Systeme zu dimensionieren. In TP2 wurden die gewonnenen Basisdaten aus dem Anlagen- und GEWS-Systemmonitoring für die Betriebscharakterisierung verwendet, um erste Aussagen zu Kosten in Abhängigkeit von Leistungen und Speicherkapazitäten abzuleiten. Als ein wichtiger Betriebsparameter für die Bilanzierung der energetischen Kapazität des GEWS als primärer Speicher ist die Bestimmung der dynamischen Eis-/Wasserverhältnisse während des Betriebs zu nennen. Eisvolumina sind dabei über Interpolationen der gemessenen Temperaturen im Speicherbereich mit einer methodischen Unschärfe von bisher ca. ± 10% abgeschätzt worden. Über entsprechend entwickelte energetische Betriebs- und Auswertemethoden wurden für erste Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen Szenarienrechnungen für Vergleiche von GEWS-Anlagen zu einem Referenzsystem mit fossilen Energieträgern (Gaskessel in Kombination mit elektrisch betriebenen Kühlaggregaten) und anderen den geologischen Untergrund nutzenden Wärmeversorgungskonzepten (HT-ATES-Anlagen mit 40% bzw. 75% Wärmerückholeffizienz, Wasser-Wasser-Anlage) durchgeführt. Erste Bewertungen erfolgten dabei für die Zielfunktionen Kosten (€/MWh über 50 Jahre Betriebszeit), untertägiger thermischer (und hydraulischer) Raumbedarf und CO2-Emissionen im Betrieb jeweils für unterschiedliche Lastprofile mit differierenden Heizungs/Kühlungs-Verhältnissen. Je nach Priorisierung der Zielfunktion sowie gewähltem thermischen Lastszenario zeigten sich erhebliche Unterschiede im Gesamtkostenvergleich zwischen hier betrachteten saisonalen untertägigen Wärmespeichertechnologien und der GEWS-Technologie. So ergaben sich für GEWS-Systeme für beide betrachteten Lastszenarien Ersparnisse von ca. 4%–12% bzw. ca. 45%–50 % gegenüber dem Referenzsystem. Wirtschaftliche Vergleichsbetrachtungen für die real am Feldstandort realisierte Pilotanlage ergaben, trotz des relativ geringen realisierten Speichervolumens, Investitionskosten, die in etwa denen eines konventionellen Eiswärmespeichers entsprechen, womit GEWS im Direktvergleich wirtschaftlich konkurrenzfähig sind. Ein GEWS benötigt dabei allerdings weniger umbauten Raum und bietet mit der wesentlich besseren Skalierbarkeit auf größere Speichervolumina gerade im urbanen Bereich mit eingeschränkter Raumverfügbarkeit und variablen Anforderungsprofilen zur Wärmeversorgung einen wesentlichen Vorteil. Die entwickelten Auswerteroutinen können zudem für zukünftige Versuche sowie Demoanlagen genutzt werden, um von Beginn an die Anlagen- und GEWS-Funktion inkl. der energetischen Flüsse kontinuierlich zu überwachen, da sich mitunter allein aus der Erfassung von Messdaten innerhalb der Anlage Funktionseinschränkungen im Anlagenbetrieb nicht direkt ableiten lassen. Das Umweltmonitoring in TP3 zur Erfassung geomechanischer, hydrochemischer und mikrobiologischer Auswirkungen durch den GEWS-Betrieb ist bereits im Vorgängerprojekt entwickelt, in GEWS-II weitergeführt, angepasst und damit unter den verschiedenen betrachteten Betriebsmodi erprobt worden. Damit konnte die Datenbasis für Umweltauswirkungen bei der thermischen Nutzung des geologischen Untergrundes im hier betrachteten Temperaturbereich (-10 °C bis +10 °C) und für einen saisonalen Betriebsmodus erweitert werden. Hinsichtlich der betriebsbedingten Auswirkungen auf die Hydrochemie und Mikrobiologie des genutzten Grundwasserleiters zeigten sich im saisonalen Betrieb bei nur geringen T-induzierten Veränderungen Variationen im Rahmen der standortspezifischen hydrochemischen Spannbreite an gelösten Konzentrationen der betrachteten Komponenten bzw. in der Zusammensetzung des planktonischen Aquiferbioms, so dass sich hieraus keine genehmigungsrechtlichen Problematiken ableiten lassen. Die numerische Modellierung der Temperaturentwicklung (auch im Abstrom des GEWS-Speicherraums) samt Gefrier- und Auftauprozessen und Rückkopplung zur Grundwasserströmung mit dem optimierten Programmcode zeigte gute Übereinstimmungen mit den dort gemessenen Temperaturen. Nach jetzigem Stand ist das Modell damit für epignostische und auch prognostische Simulationen auch vor dem Hintergrund behördlicher Genehmigungsanträge anwendbar. Belastbare Messungen von Hebungen und Absenkungen an der Geländeoberkante oberhalb des unmittelbaren GEWS lagen während des saisonalen Betriebs im niedrigen Millimeterbereich und korrelierten nicht direkt mit GEWS-Betrieb. Wesentliche Erfahrungen aus dem saisonalen Betrieb, die insbesondere auch für eine zukünftige Realisierung von Demonstrationsanlagen genutzt werden können und sollten, lieferten zum einen ein vertieftes Systemverständnis und die Möglichkeit einer optimierten Betriebsführung, hatten aber auch mitunter Einfluss auf die Betriebscharakterisierung: Aus energetischer Sicht wurden folgende Einflüsse bisher unterschätzt: – oberflächennah direkt oberhalb des GEWS verlegte Zuleitungen zum GEWS, – Sondenbereiche oberhalb des eigentlichen GEWS-Speicherraums und – Wärmeeintrag durch nachströmendes Grundwasser. Diese trugen bei der hier realisierten GEWS-Speicherdimension zu etwa 46% des Wärmeentzugs aus dem Untergrund bei, so dass hiermit ein entsprechendes Potenzial zur Optimierung der Speichernutzung verbunden ist. Oberflächennahe Zu- und Ableitungssysteme zwischen Anlage und GEWS können demnach aufgrund ihrer großen Oberfläche zum Erdreich als sekundäres Wärmespeichersystem fungieren, was bei „heizungs-dominierten“ Szenarien, wie es in GEWS-II der Fall war, Vorteile erbringen kann. Sofern „kühlungs-dominierte“ Szenarien betrachtet werden, wäre hingegen zu prüfen, ob eine thermische Dämmung der oberflächennahen Anlagenteile nicht Vorteile bietet. Weiterer Optimierungsbedarf wurde zudem im Bereich der thermischen Monitoringsysteme und verbauten Komponenten in der Gesamtanlage identifiziert: – fehlerhafte Wärmemengenzähler, – erratisch ausfallende Temperaturmessketten, – Leistungsschwankungen der verbauten Heizpatronen, – hydraulische Wechselwirkungen im Leitungssystem. Für eine Identifikation von Fehlerquellen in derart komplexen Anlagensysteme, die wie in diesem Projekt im Routinebetrieb nicht sofort ersichtlich waren und daher bedauerlicherweise erst im späteren Versuchsverlauf bzw. im Rahmen der intensiven Datenauswertung identifiziert wurden, sind im Vorfeld umfassende Tests (auch nach technischen Erweiterungen) und ergänzend dazu stetige Kontrollen der ordnungsgemäßen Funktion der Messeinrichtungen inkl. Einbau redundanter Komponenten bzw. Vorhalten von Ersatzsystemen essentiell. Hier können in Zukunft die im Projekt entwickelten Auswerteroutinen wesentlich unterstützen. Nur so kann ein möglichst unterbrechungsfreies und hinreichendes Monitoringprogramm für die Betriebsparameter gewährleistet werden. Dies ist auf der einen Seite eine triviale Anforderung, bei personellen Engpässen, wie sie sich bei diesem Projekt durch unerwarteten Personalweggang zu Projektbeginn in allen beteiligten Arbeitsgruppen darstellten, aber durchaus eine Herausforderung. Zusätzliche Wärmemengenzähler insbesondere auch direkt an den Sondenköpfen und nicht nur innerhalb der obertägigen Anlage können zudem helfen, Energieflüsse in einzelnen Abschnitten optimaler überwachen und charakterisieren zu können. Optimierungsbedarf besteht weiterhin in der hinreichenden Charakterisierung der räumlich und zeitlich transienten Temperaturbedingungen und -gradienten. Erratisch ausfallende Temperaturmesskettensysteme waren hier nicht zu erwartende Probleme, die aber mittlerweile – wenn auch leider erst nach Projektabschluss – gelöst erscheinen. Die Erfassung der variierenden Temperaturbedingungen ist jedoch Grundlage für eine praxisorientierte energetische Bilanzierung und Erfassung der Betriebszustände mit einer begrenzten bzw. ggf. auch minimierten Anzahl an Monitoringmessstellen für spätere Anwendungen. Bei den Messungen von Hebungen und Absenkungen an der Geländeoberkante muss die Messmethodik für Langzeitüberwachungen hinsichtlich Robustheit der Messeinrichtungen noch adaptiert werden. Die numerischen Modelle zu den geomechanischen Auswirkungen eines GEWS-Betriebs mit Eis-Wasser-Phasenwechsel überschätzten die Messungen deutlich (um Faktor 10 und mehr), was zeigt, dass neben der Entwicklung entsprechender numerischer Modelle auch empirische Datenerhebungen zu induzierten Hebungs- und Senkungsprozessen für die Modellparametrisierung erfolgen müssen. In Bezug auf die Akzeptanz und Genehmigungssituation zeigte sich starkes Interesse an der GEWS-Technologie im Rahmen der Vorstellung des Konzepts auf der Messe „Nordbau“, seitens Kommunen im Rahmen der Umsetzung des Wärmeplanungsgesetzes oder auch seitens Firmen mit entsprechendem Kühlbedarf sowie in der Berichterstattung lokaler Medien. Auch erfolgten erste Gespräche mit der Stadt Wittstock hinsichtlich dieser Technologie bzw. der Unterstützung im Rahmen ihrer kommunalen Wärmeplanung. Die wasserrechtliche Genehmigung war bereits im Vorprojekt GEWS-I erteilt worden. Die technische Ausstattung des GEWS-Testfeldbereichs mit der containerbasierten Wärmeversorgungsanlage samt Messnetz und -sensorik steht weiterhin zur Verfügung, um Untersuchungen und Feldversuche in diesem Tätigkeitsfeld umzusetzen. Aber auch die erhobene Datenbasis, die gewonnenen Erkenntnisse und das Know-How des Projektkonsortiums stehen für eine wissenschaftliche Begleitung zukünftiger Demonstrationsvorhaben zur Verfügung. Perspektivisch besteht Forschungs- und Entwicklungsbedarf weiterhin bzgl. folgender Punkte: – Aufbau inkl. wissenschaftlicher Begleitung einer GEWS-Demonstrationsanlage in einem Grundwasserleitern, – Aufbau und Erprobung von untertägigen GEWS-Anlagen in bindigen Sedimenten (z.B. Geschiebemergel/-lehm, Ton) mit vermutlich relativ guten Eigendämmungseigenschaften und geringerem Einfluss auf die Energieeffizienz durch Grundwasserzu- und -abstromeffekten, allerdings sowohl messtechnisch als auch numerisch zu berücksichtigenden Hebungs- und Senkungsprozessen aufgrund der plastischen und elastischen Eigenschaften till-haltiger Sedimente. Ggf. kann die bereits vorhandene obertägige containerbasierte Infrastruktur genutzt werden. – Erfassung und Prognose der räumlich-zeitlich transienten dreidimensionalen Abstromfahne (thermisch und stofflich) und den damit im Kontext stehenden aussagekräftigen Monitoringkonzepte als Teil behördlicher Auflagen, – Weitere Varianten der Betriebsführung zur selektiven Ansteuerung von Sonden(bereichen), um ggf. hydraulisch-thermisch und energetisch günstigere Betriebszustände nutzen zu können, – Untersuchung der Einflüsse von verschiedenen Dämmungsoptionen (insbesondere im Bereich der Zuleitungen) bei verschiedenen Lastprofilen hinsichtlich Betriebseffizienz